2006 年から 2019 年までの中国の都市下水処理施設からの温室効果ガス排出量

Scientific Data volume 9、記事番号: 317 (2022) この記事を引用

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7 オルトメトリック

メトリクスの詳細

下水処理プラント (WWTP) は水質汚染を軽減しますが、資源の消費や環境への影響、特に温室効果ガス (GHG) の排出も引き起こします。下水処理場からの GHG 排出量を軽減することは、中国におけるカーボンニュートラルの達成に貢献できます。しかし、中国の下水処理場の高解像度かつ時系列の温室効果ガス排出量インベントリは依然として不足している。この研究では、2006 年から 2019 年までの期間における、さまざまな廃水処理プロセスからの CH4、N2O、および CO2 排出、エネルギー消費、排水排出に関する下水処理場の企業レベルの排出インベントリを構築します。中国の下水処理場の GHG 削減をサポートするための、同等の下水処理場の GHG 排出インベントリ。

測定

都市下水処理施設からのメタン、亜酸化窒素、二酸化炭素の排出

テクノロジーの種類

計算モデリング技術

因子の種類

流入水および流出水の化学的酸素要求量（COD）質量 • 流入水および流出水の全窒素（TN）質量 • 除去された COD • 電力消費量 • 排出係数 • 廃水処理技術

サンプルの特徴 - 生物

なし

サンプル特性 - 環境

廃水処理施設 • 物理処理工程 • 化学処理工程 • 物理化学処理工程 • 従来型活性汚泥 • 強化活性汚泥工程 • 生物膜処理工程 • 嫌気性生物処理工程 • 安定化池、造成湿地および土地処理 • 膜生物反応器

サンプルの特徴 - 場所

中国

都市排水処理施設は、水質汚染を軽減するための主要な技術的解決策です。しかし、下水処理場やその他の処理施設における廃水の浄化には常にエネルギー消費、化学物質の使用、環境への影響という代償が伴います 1,2 。中でも GHG 排出量が最も懸念されています 3,4。廃水からの GHG 排出量は世界の人為的 GHG 排出量にわずかしか寄与していないにもかかわらず、廃水処理システムからの GHG 排出量をマッピングし、GHG 排出量を緩和するための合理的な目標を設定することが依然として重要です 5,6。これらの目的を達成するには、包括的な GHG インベントリが前提条件となります。下水処理場の GHG 計算を確立する研究は数多く行われています 7、8、9、10、11、12、13 が、依然として課題と問題が存在します。

現在の GHG 計算では、処理プロセス/技術の違いが考慮されていないことがよくあります。地域レベルでの下水処理場の GHG 排出量の計算には主に IPCC 排出係数が使用されており、集中的な生物処理プロセスは好気性プロセスと嫌気性プロセスにのみ分類され、好気性技術または嫌気性技術のサブカテゴリーの区別は無視されています7、10、11、12。、13、14、これは GHG 排出係数の不確実性を大きくします。下水処理場における GHG 排出量を正確に計算するには、詳細なプロセス/技術を考慮し、分析する必要があります。

多くの場合、生物学的処理プロセスの CO2 排出量は除外され、CH4 および/または N2O のみが計上されます。これは、「これらは一般に、人間の排泄物や食品廃棄物に含まれる現代の (生物起源の) 有機物に由来しており、国の総排出量に含めるべきではない (IPCC 2019)」ためです。、第5巻、第6章、7ページ）'15。しかし、集中的な研究により、かなりの量の化石CO2が下水処理場から直接排出されることが示されており、すべての直接CO2排出が生物起源であると仮定すると、GHG排出量が過小評価される可能性があります16、17、18、19、20。

処理排水に溶解した GHG 自体も放出される可能性があります。さらに、多くの水路は富栄養状態または栄養豊富な状態にあり、排水の排出をさらに誘発して GHG 排出量を増加させる可能性があります 15。しかし、受水域の水質や下流の排出経路に関するデータが不足しているため、受水水域からの GHG 排出量はほとんど考慮されていません。一部の研究では、処理された排水からの敷地外への排出を考慮していましたが、河川、湖、または海洋に流入する 1 つの排出経路のみが想定されていました 7、8、9。さまざまな排出経路（河川、湖、貯水池、海、土壌、下水灌漑農地への直接排出など）からの排出を考慮することは、主要な排出源、GHG 組成、および下水処理システム全体へのそれらの寄与を特定するために不可欠です。

廃水処理システムの GHG 排出量計算に関する既存の地域レベルまたは国家レベルの研究は比較できません。これは主に、異なる研究における排出係数とデータソースが異なるためです。例えば、Zhao ら 10 は、企業レベルの活動データと IPCC 2006 排出係数を使用して CH4 排出量を計算したが、Yan ら 11 の排出係数は、IPCC 排出係数と地方自治体の排出係数を除く 4 つの参考資料の平均から得られた。中国環境年鑑および中国統計年鑑からの - レベルの活動データ。適用される方法論とデータソースの違いは、同じ年の計算された CH4 排出量の 38 倍の違いに寄与します。

上記のギャップを解決するために、私たちは中国の下水処理場の高解像度（企業レベル）および時系列（2006 年から 2019 年まで）の GHG 排出インベントリを構築しました。排出源には、生物学的処理プロセスからのサイト内排出と、下水処理場のエネルギー消費および排出経路からのオフサイト排出が含まれます。私たちは 10 の潜在的な経路を区別しました。海への直接的および間接的（下水道後の）排出。河川、湖、貯水池などへの直接的および間接的な排出。地方自治体のWWPT。下水灌漑農地への直接排出。陸上に放出する。その他の施設（集中排水処理施設）。集中化された工業用下水処理場およびその他の排水経路。さまざまな処理技術のさまざまな排出可能性を考慮して、48 の個別の生物学的、物理的、化学的、物理化学的技術とそれらの組み合わせに基づいて排出量を計算しました。中国の条件に沿ったさまざまな生物処理技術の GHG 排出係数を文献から入手しました。この研究では、CO2、N2O、CH4 の 3 つの GHG が推定されました。生物処理による化石CO2排出量と生物起源CO2排出量を区別せず、CO2排出量を化石CO2排出量と生物起源CO2排出量の合計としてみなしました。

この文書には、都市の下水処理場やその他の施設で処理された生活排水からの GHG 排出量が含まれています。その他の施設は、主に住宅地、観光施設、リゾート、老人ホーム、空港、駅などの公共の場所から排出される排水を収集して処理します。両方の都市下水処理場およびその他の施設によって収集された生活排水は、特定の条件下で産業排水と混合される可能性があります。この場合、IPCC 2019 は、生活排水と産業排水の混合物を生活排水とみなすことができると示唆しています15。

下水処理場の GHG 排出量は、サイト内およびサイト外の排出によって生じます。オンサイト排出量は通常、下水処理場の廃水および汚泥処理プロセスによって引き起こされる排出量として定義されます21、22。下水汚泥の処理および処分プロセスが下水システムにおける GHG 排出量の約 40% を占めると報告されているにもかかわらず、データ不足のため、システム境界では下水処理場における汚泥処理および処分プロセスからの GHG 排出量が除外されています23。一方、中国では、下水処理場から発生する CH4 排出が回収または再燃することはほとんどなく、当社では回収または再燃した CH4 排出はゼロであるとみなしています。したがって、この調査では、サイト内排出量は廃水処理手順からの排出量のみを指します。さまざまな廃水処理技術において、生物学的処理技術は廃水処理プロセス中にオンサイトで GHG 排出を発生しますが、物理的、化学的、および物理化学的処理技術では発生しません。オフサイト排出量とは、排水、電力消費、化学物質の製造および輸送からの排出量を指します。しかし、各下水処理場のデータが不足しており、電力消費量と比較すると無視できるため、化学物質の生産と輸送によって発生するオフサイト排出量は除外されています13。電力消費による CO2 排出量は石炭火力発電によるものであるため化石 CO2 ですが、敷地内の廃水処理および敷地外の排水によって生成される CO2 排出には、流入水および流出水の COD に含まれる可能性があるため、化石 CO2 および生物起源 CO2 が混合されます。化石炭素と生物起源炭素の両方。

図1は、2006年から2019年までの中国の下水処理施設の企業レベルのGHG排出量インベントリの構築のフローチャートを示しています。下水処理場の GHG 排出量を定量化するための最初のステップは、適用されている処理技術を判断することです。下水処理場が生物学的プロセスを採用している場合、生物学的処理プロセスからのオンサイト排出量が計算されます。それ以外の場合は、電力消費および各下水処理場の排出経路からのオフサイト排出量が定量化されます。各排出源からの GHG 排出量の計算は、排出係数と活動データの乗算に基づいて行われました。各下水処理場の活動データは、中国環境統計データベース (CESD)24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37 から収集されました。

2006年から2019年までの中国の下水処理施設の企業レベルのGHG排出量インベントリの構築のフローチャート。生物学的処理プロセスのみがオンサイトで GHG を排出しますが、物理的、化学的、物理化学的処理技術はオンサイトで GHG を排出しません。

さまざまな廃水処理プロセスの GHG 排出量を調べるには、各下水処理場で適用される技術のカテゴリーを決定する必要があります。ほとんどの場合、下水処理場には一次、二次、または三次処理プロセスがあり、各プロセス、特に二次処理では複数の技術が適用される場合があります。各技術やプロセスではなく、下水処理場全体の流入水と流出水の汚染物質の濃度に関するデータのみを収集したため、各技術の現場での GHG 排出量を定量化することは不可能です。したがって、現場での GHG 排出量の計算を簡素化するには、まず下水処理場の処理技術の主要カテゴリを判断し、次に対応する CH4、N2O、CO2 の排出係数を選択して、生物処理プロセスによって生成される GHG 排出量を計算する必要があります。。技術分類を表 1 に示します。下水処理場の処理技術のカテゴリを決定するための決定木を図 2 に示します。

下水処理場の処理技術のカテゴリを決定するための決定木。

生物学的処理プロセスを備えた下水処理場またはその他の処理施設は、式 1 で計算される CH4、N2O、および CO2 を直接排出します。それぞれ1.1、1.2、1.3。この研究で採用されたさまざまな生物学的処理プロセスの CH4、N2O、および CO2 排出係数は文献から得られ、そのほとんどは既存の中国の下水処理場の GHG 排出係数に関する研究でした。一方で、本格的な廃水処理プロセスの排出係数に関する研究が不足しているため、一部の排出係数は IPCC 2019 報告書、実験室ベースの研究、またはその他のモデルから採用されました。文献からの詳細な CH4、N2O、CO2 排出係数をそれぞれ表 S1、表 S2、表 S3 にまとめました。各生物処理プロセスの排出係数の最小値、最大値、平均値を取得しました。本調査では排出係数の平均値をデフォルト排出係数として定義し、表 2 に示した。また、比較のために生物処理プロセスの IPCC 2019 排出係数も表 2 に記載する。複合強化活性汚泥処理技術を採用した下水処理場またはその他の処理施設の排出係数は、特定の強化活性汚泥処理技術（AO、A2O、OD または SBR）の排出係数の平均値です。 CH4 と N2O は、100 年間の地球温暖化係数 (GWP) 値によって CO2 相当量に変換されます。 N2O、CH4、CO2 の GWP はそれぞれ 265、28、1 です38。

ここで、\(CH{4}_{bio,i}\)、\(N2{O}_{bio,i}\)、\(CO{2}_{bio,i}\) は CH4 を指します。 i 番目の下水処理場の生物処理プロセスからの N2O および CO2 排出量 (g CO2eq/年)。 \(E{F}_{bio,CH4,j}\) (g CH4/kg COD 除去または g CH4/kg COD)、\(E{F}_{bio,N2O,j}\) (g N2O /kg TN 流入水) と \(E{F}_{bio,CO2,j}\) (g CO2/kg COD 除去量) は、i 番目の下水処理場におけるプロセス j の 3 つの GHG 排出係数です。 \(A{D}_{bio,CH4,i}\) は、生物学的 CH4 放出の活動量データです。 \(A{D}_{bio,CH4,i}\) には 2 つのタイプがあります。プロセス j の \(E{F}_{bio,CH4,j}\) の単位が g CH4/kg COD 除去の場合、\(A{D}_{bio,CH4,i}\) はi 番目の下水処理場で年間に除去された COD (kg COD 除去 / 年)。ただし、\(A{D}_{bio,CH4,i}\) は、\(E{F}_{bio,CH4,j}\) の単位の場合、流入 COD 質量と汚泥に移動した COD の差を指します。は g CH4/kg COD です。「汚泥として除去される COD の計算」では、各工程における汚泥として移動する COD の推定方法を説明しました。 \(T{N}_{in,i}\) は i 番目の下水処理場への年間流入量 TN 質量 (kg TN 流入量/年)、\(CO{D}_{removed,i}\) は年間i 番目の下水処理場で除去された COD (kg COD 除去/年)。

私たちの研究と比較するために、IPCC 2019 の方法も使用して生物学的処理プロセスからの CH4 および N2O 排出量を計算しました。各廃水処理プロセスの CH4 および N2O 排出係数は IPCC 2019 によるものです (表 2)。

ここで、\(CH{4}_{IPCC\_bio,i}\) および \(N2{O}_{IPCC\_bio,i}\) は、生物学的処理による CH4 および CO2 の排出量 (g CO2eq/年) を指します。 i 番目の WWTP のプロセス。 \(E{F}_{IPCC\_bio,CH4,j}\) (g CH4/kg COD) および \(E{F}_{IPCC\_bio,N2O,j}\) (g N2O/kg TN) influent) は、i 番目の下水処理場のプロセス j の IPCC 2019 CH4 および N2O 排出係数です。 \(CO{D}_{in,i}\) は、i 番目の下水処理場への年間流入 COD 質量 (kg COD 流入/年) です。 \({S}_{COD,i}\) (汚泥として除去された COD kg/年) は、i 番目の下水処理場で汚泥の形で除去された COD です。 \({R}_{CH4,i}\) は、i 番目の下水処理場から回収またはフレアされた CH4 の量です。中国では回収または燃焼した CH4 が非常に少ないため、この値はゼロとみなされました。 \(T{N}_{in,i}\) は、i 番目の下水処理場への年間流入量 TN 質量 (kg TN 流入量/年) です。

ここで、 \({S}_{COD,i}\) (g COD 汚泥として除去/年) は、i 番目の下水処理場で汚泥の形で除去された COD です、\(CO{D}_{removed,i} \) (g COD/年) は、i 番目の下水処理場から除去された COD です。 \({Y}_{obs,j}\) (g VSS/g COD) は、i 番目の下水処理場のプロセス j で観察された汚泥収量です。 1.42 (g COD/g VSS) は、COD39 の観点からバイオマス濃度を決定する換算係数です。 \(CO{D}_{in}\) と \(CO{D}_{out}\) は、i 番目の下水処理場の流入水と流出水の COD 濃度です。 \({V}_{廃水}\) は、i 番目の下水処理場で処理された廃水の量です。各プロセスの \({Y}_{obs,j}\) (g VSS/g COD) の係数は、Chen et al.40 からのものです。膜分離生物反応器（MBR）は強化活性汚泥法と膜法を組み合わせたものであるため、その \({Y}_{obs,j}\) は強化活性汚泥の観察汚泥収量の平均値によって推定されました。プロセスとバイオフィルムプロセス。さまざまな処理プロセスの係数 \({Y}_{obs,j}\) を表 3 に示します。

処理された廃水は 10 の異なる経路のいずれかで排出されました。各排出経路の CO2、N2O、CH4 の排出係数を表 5 に示す。 CH4 および N2O の排水排出係数は IPCC 2019 から採用され、処理排水の CO2 排出係数は IPCC 2019 の付録 (IPCC 2019、第 5 巻、第 6 章、59 ページ〜 60 ページ) から導かれました15。排水排出量のCO2排出係数の詳細な導出方法については、補足資料「排水排出量のCO2排出係数」を参照してください。排出経路からの排出は式(1)によって計算されました。 2.1 ～ 2.3:

ここで、\(CH{4}_{eff,i}\)、\(N2{O}_{eff,i}\)、\(CO{2}_{eff,i}\) は CH4、N2O です。 i 番目の下水処理場の排出経路 j からの CO2 排出量 (g CO2eq/年)。 \(E{F}_{eff,CH4,j}\) (g CH4/kg COD 排水)、\(E{F}_{eff,N2O,j}\) (g N2O/kg TN 排水)、および\(E{F}_{eff,CO2,j}\) (g CO2/kg COD 排水) は、i 番目の下水処理場の排出経路 j の排水排出係数です。 \(CO{D}_{out,i}\) (kg COD 排出量/年) および \(T{N}_{out,i}\) (kg TN 排出量/年) は年間排出量 COD と TN 質量です。 i番目の下水処理場の。

電力消費による GHG 排出量の計算は式 1 に示されています。 3.1. この研究では、中国の地域送電網のベースライン排出係数41、42、43、44が使用されました。地域送電網の排出係数には CO2 のみが考慮され、N2O と CH4 は寄与が小さいため考慮されません。中国の地域送電網のベースライン排出係数を表 4 に示します。

ここで、\(CO{2}_{ele,i}\) は電力消費による CO2 排出量 (kg CO2/年) です。 \(E{F}_{ele,CO2,j}\) (kg CO2/kWh) は、調査対象の下水処理場の j 州の CO2 排出係数を示します。 \(El{e}_{con,i}\) (kWh/年) は、i 番目の下水処理場の電力消費量を指します。

GHG 排出量の不確実性は主に排出係数によって引き起こされました。各下水処理場の活動量データの計算は、年間の現場での処理水量、流入水および流出水の汚染物質濃度、電力消費量のモニタリングデータに基づいているため、活動量データに不確実性はありません。私たちは、生物学的処理プロセスと排出経路によって引き起こされる GHG 排出の不確実性を分析しました。中国の地域電力網のベースライン排出係数は範囲ではなく特定の値に基づいているため、電力消費によって引き起こされる不確実性は考慮されていません。

生物処理プロセスの排出係数については、各技術の最小、最大、平均排出係数を文献から取得しました。次に、次の式を使用しました。 4.1 および 4.2 を使用して排出係数の不確実性を計算します。

CH4 排出係数は最大生産ポテンシャル (B0) とメタン補正係数 (MCF) の乗算によって決定されるため、その不確実性は式 4 によって測定されました。 4.3. IPCC 2019 では B0 (UB0) の不確かさは ± 30% であり、MCF (UMCF) の不確かさは式 (1) によって決定されました。 4.1 と 4.2。排出経路の N2O および CO2 排出係数の不確実性は、式 (1) によって計算されました。 4.1 と 4.2。

モンテカルロシミュレーションを適用して、排出係数と活動データの組み合わせの不確実性を分析しました。生物処理プロセスおよび排出経路の CH4、N2O、CO2 の排出係数はすべて三角分布に従います。これは、この研究では「上限値と下限値および推奨値が提供されている (IPCC 2006、第 1 巻、第 3 章、22 ページ)」15 ためです。排出係数のランダムサンプリングが 100,000 回実行され、各下水処理場における各 GHG の活動データが乗算され、GHG 排出量の 100,000 個の値が生成されました。最後に、GHG 排出量の 95% 信頼区間の不確実性範囲が採用されました。

不確実性を引き起こす可能性のあるその他の原因には、「測定エラー」、「完全性の欠如」、「誤報または誤分類」などがあります。実際の下水処理場における測定誤差については、流入水・流出水の汚染物質濃度や消費電力量の測定値が誤っている可能性があります。しかし、この研究ではこの不確実性を定量化し、制御することが困難です。完全性の欠如という点では、元のデータはすべての下水処理場について不完全でした。例えば、処理された廃水の量、流入水、または流出水の COD 濃度など、いくつかの指標のデータが欠落していました。下水処理場に十分な指標がない場合、下水処理場は削除され、その排出量は計算されません。誤報や誤分類については、処理技術の正確な分類が二次生物処理プロセスの GHG 排出量の計算の基礎となりますが、処理技術の誤報や誤分類によって不確実性が生じる可能性があり、簡単に修正することはできません。

「2006年から2019年までの中国の下水処理施設の温室効果ガス排出量」のデータセットはFigshare45で公開されています。データセットには 400,512 のデータレコードがあります。これらには次のものが含まれます。

399,420 の企業レベルの GHG 排出量インベントリ（57,060 企業、つまり 57,060 の下水処理場およびその他の下水処理施設。各企業には、生物処理プロセスからの CH4、N2O、CO2 排出量、電力消費からの CO2 排出量、CH4、N2O、CO2 排出量が含まれる）排出経路からの排出）。

70件の年間生物処理GHG排出インベントリ（2006年から2019年まで、IPCC 2019方法論によって計算されたCH4およびN2O排出量、および方法のセクションで説明されているように計算されたCH4、N2OおよびCO2排出量）。

42 件の年間排水 GHG 排出インベントリ（2006 年から 2019 年まで、CH4 および N2O 排出量は IPCC 2019 方法論によって計算され、CO2 排出量はこの論文の方法によって計算）。

14 年間の電力 CO2 排出量インベントリ (2006 年から 2019 年まで)。

生物学的処理プロセスからのさまざまな技術の年間 CO2eq 排出量は 322 件（2006 ～ 2019 年、23 技術カテゴリ）。

322 は、電力消費によるさまざまなテクノロジーの年間 CO2 排出量です (2006 年から 2019 年、23 テクノロジーカテゴリ)。

排出経路からのさまざまな技術による 322 の年間 CO2 換算排出量 (2006 年から 2019 年、23 の技術カテゴリ)。

この研究では、企業レベルの GHG 排出インベントリが残りの排出インベントリの基礎となります。企業レベルの GHG 排出インベントリに基づいて、生物処理プロセス、排水、電力消費量の年間 CH4、N2O、CO2 排出インベントリが示され、生物処理プロセス、電力消費、排出経路からのさまざまな技術の年間総 CO2 排出量も表示されます。定量化された。

図 3 は、2006 年から 2019 年までのさまざまな排出源からの CH4、N2O、CO2 の年間排出量と年間の処理下水量を示しています。図 4 の円グラフは、それぞれ 2006 年、2010 年、2015 年、2019 年の CO2 換算総排出量における処理技術の構造を示しています。。処理技術は、表 1 の分類に基づいてプロセスの主要なカテゴリに分類されます。強化活性汚泥法は中国の主要な排水処理技術であり、多くのサブカテゴリが含まれるため、サブカテゴリの排出構造（つまり、AO）、A2O、OD、SBR）の強化活性汚泥プロセスも円グラフで表示されます。

2006 年から 2019 年までの中国の廃水処理からの GHG 排出量 (CO2 換算 100 万トン) および処理済み廃水からの GHG 排出量 (10 億立方メートル)。Ele、Bio、Eff は、電力消費、生物処理プロセス、排水排出からの GHG 排出量を示します。

2006年、2010年、2015年、2019年の総CO2eq排出量における処理技術の構造（単位：百万トンCO2eq）。 2010 年、2015 年、2019 年には、強化活性汚泥プロセスと従来の活性汚泥からの GHG 排出量が大きな割合（>80%）を占めました。一方、2006 年には生物処理プロセスからの割合が非常に高かった（58%）。生物学的処理プロセスのサブカテゴリは、元のデータセットでは報告されていませんでした。この場合、それらの処理技術を生物処理と名付け、本研究ではその GHG 排出量を活性汚泥処理過程の排出係数により推計した。

生物処理技術の CH4、N2O、および CO2 排出係数の不確実性を表 6 に示します。比較のために、IPCC 2019 に基づく CH4 および N2O 排出係数の不確実性もリストします。IPCC 2019 による分析では、次の点でより高い不確実性が示されています。技術の分類があまり詳細でないため、大部分の生物処理技術の CH4 および N2O 排出係数。たとえば、IPCC 2019 ではすべての活性汚泥プロセスが 1 つの好気性プロセスカテゴリに分類されているため、IPCC 2019 のさまざまな活性汚泥技術は同じ排出係数と不確実性を持っています。ただし、AO、A2O、SBR、OD は、同じ活性汚泥技術ではありますが、プロセスは大きく異なります。従来の活性汚泥プロセスまたは強化された活性汚泥プロセスのさまざまなカテゴリーに基づいて GHG 排出係数を収集したため、AO、A2O、SBR、および OD のプロセスの排出係数とその不確実性は異なり、範囲も異なります（表 6）。しかし、特定のプロセスのオンサイト排出係数が文献で報告されることはほとんどなく、詳細なプロセス分類に基づいて排出係数を取得することはできません。たとえば、IPCC 2019 の嫌気性プロセスの CH4 排出係数 (200 g CH4/kg COD) を 4 つの異なる嫌気性プロセス (つまり、嫌気性加水分解、典型的な嫌気性反応器、嫌気性バイオフィルター、およびその他の嫌気性生物学的処理) に適用しました。参考文献からの現場排出係数の欠如。したがって、4 つの嫌気性プロセスの CH4 排出係数について報告されている不確実性 (-30%、39%) は同じです。全体として、さまざまな生物処理技術の GHG 排出係数の不確実性は比較的高かった。主な理由の 1 つは、GHG 排出係数がさまざまな運転パラメータ (温度、pH、溶存酸素 (DO)、汚泥滞留時間 (SRT)、水圧滞留時間 (HRT)、流入化学物質) によって強く影響されることです46、47、48、49。これらの下水処理場の酸素要求量（COD）対全窒素比（C/N）、流入化学的酸素要求量（COD）対全リン比（C/P）など）。

10 の排出経路の CH4、N2O、CO2 排出係数の不確実性を表 7 に示します。「流下水道（開放型または閉鎖型）」の排出経路の CH4 および N2O 排出係数は、IPCC 2019 ではゼロであるため、この流動条件ではCO2の発生はありませんでした。都市下水処理施設や集中型産業下水処理場などの施設（分散型下水処理施設）を経由する放流経路を「流下水」の放流経路とみなした。したがって、都市下水処理場、工業下水処理場およびその他の施設に入る場合の CH4、N2O、および CO2 排出係数の不確実性については報告しません。本研究における「その他の排出経路」のうちの排出経路をIPCC2019における「水生環境への排出（Tier 1）」とし、そのCH4排出係数（−100％、148％）とN2O排出係数（−90％）の不確実性を考慮した。、1394%) は、他の排出経路と比較して最大です。処理排水の CO2 排出係数に関する研究は非常に少ないため、IPCC 2019 の付録 (IPCC 2019、第 5 巻、第 6 章、59 ページから 60 ページ) から湖、河川、貯水池の CO2 排出係数を導き出しました15。、海への排出経路と「その他」の経路も同じ CO2 排出係数を持つと仮定しました。したがって、それらの CO2 排出係数の不確実性はすべて同じであり、不確実性は (-12%、20%) でした。

生物学的処理プロセスの GHG 排出量の総合的な不確実性を表 8 と図 5(a ～ c) に示します。図 5 に示す影の領域は、GHG 排出量の 95% 信頼区間を示します。比較のため、IPCC 2019の排出係数により計算されたCH4およびN2O排出量も図5(a,b)に示します。 2006 年から 2019 年まで、この研究における CH4、N2O、CO2 排出量の不確かさは、それぞれ (-57%、124%)、(-63%、184%)、(-43%、38%) でした。しかし、IPCC 2019の方法論によって計算されたCH4およびN2O排出量の不確実性は、(−91%、189%)および(−99%、184%)であった。 IPCC 2019によって計算されたCH4およびN2Oの最小および最大排出量はすべて図5(a、b)の影の領域の外側にあり、私たちの研究よりも大きな不確実性を反映しています。

2006 年から 2019 年までの中国の下水処理場からの GHG 排出量の傾向と不確実性 (CO2 換算百万トン)。 (a) 生物学的処理による CH4 排出の傾向と不確実性。 (b) 生物処理による N2O 排出の傾向と不確実性。 (c) 生物処理による CO2 排出の傾向と不確実性。 (d) 電力消費による CO2 排出量。 (e) 排水からの CH4 排出量の傾向と不確実性。 (f) 排水からの N2O 排出量の傾向と不確実性。 (g) 排水からの CO2 排出量の傾向と不確実性。 (h) CO2eq 総排出量の傾向と不確実性。略歴: 生物学的。 Eff: 流出物。エレ：電気。影の領域は、GHG 排出量の 95% 信頼区間を示します。電力消費量の不確実性は、電力網のベースライン排出係数の不確実性が利用できないため、(d) には示されていません。

排水 GHG 排出量の総合的な不確実性を表 9 と図 5(e-g) に示します。流出 N2O の全体的な不確実性は非常に高かった (-33%、1161%)。これは主に流出 N2O 排出係数の不確実性が高かった (-100%、1394%) ことに起因します。 N2O 排出係数は、プロセス設計と運用条件が異なるため、下水処理場間で大幅に異なります 46,47。流出 CH4 および CO2 排出の不確実性は比較的低く、それぞれ (-52%、29%) および (-9%、16%) の値でした。下水処理場の総温室効果ガス排出量の不確実性を図 5(h) と表 S4 に示す。下水処理場からの総温室効果ガス排出量の不確実性は約 (-27%、97%) でした。

中国の国レベルでの下水処理場の CH4 または N2O 排出に関するいくつかの研究が報告されている 7、8、9、10、11、12、13。表 S5 には、比較のために文献に記載されている廃水 GHG 推定値を示します。ほとんどの場合、現在の推定結果は比較できません。研究間で異なるシステム境界を使用していることが主な理由の 1 つです。例えば、2014 年の中国の気候変動に関する第 2 回隔年最新報告書50による廃水の CH4 排出量 (7,620 万トン CO2 換算) は、国家レベルでの工業廃水と家庭廃水の両方からの排出量を指しており、活動データは環境統計年鑑から入手したものであるが、Zhao らはal.10 は、2014 年に 229 都市の企業レベルで 2019 年の下水処理場からの CH4 排出量 (2,920 万トン CO2 換算) を検討しており、データは都市排水統計年鑑からのものでした。 Zhaoらの研究の2019年の下水処理場には、主に県レベルの市の下水処理場が含まれているが、中国の県レベルおよび工業用の下水処理場は含まれておらず、下水処理場/廃水処理施設の数が明確ではないため、その結果は比較できない。中国の 2 回目の隔年最新報告書。したがって、これら 2 つの研究ではすべて IPCC 2006 の方法をインベントリに使用していましたが、活動データと CH4 排出量は比較できませんでした。私たちの論文では、2014 年に 4,455 か所の下水処理場と 718 か所の他の処理施設からの敷地内 CH4 排出量は 255 万トン CO2 換算と推定されており、これは Zhao らの結果の約 10 分の 1 でした。この不一致は、異なるシステム境界を使用し、異なる排出係数を使用したことが原因で発生しました。

ほとんどの研究では IPCC の排出係数が使用されていますが、IPCC 2006 と IPCC 2019 の CH4 排出係数でさえかなり異なります。 IPCC 2019 のデフォルトのメタン補正係数 (MCF) は 0.03 ですが、IPCC 2006 では過負荷下水処理場のこの値は 0.3 であり、CH4 排出量では 1 桁異なる可能性があります。私たちの不確実性分析により、IPCC 2019 によって計算された CH4 排出量は私たちの研究より約 20% ～ 62% 大きく、IPCC 2019 によって引き起こされた不確実性はこの研究よりもはるかに高かったことが示されています。他の場合には、GHG 排出量を推定するために、さまざまな技術を区別せずに文献からの排出係数が使用されました。たとえば、いくつかの研究では、0.165 の MCF を使用して、家庭廃水によって誘発される CH4 排出量が計算されました 7、8、9、12。 MCF 0.165 を使用した場合、Du らによると、2014 年の家庭廃水からの CH4 排出量は約 28 Mt CO2eq でした 7。一方、Yan et al.11 では、2.3064 kg CH4 の排出係数を使用して、2014 年の推定 CH4 排出量は 0.77 Mt CO2eq であったことがわかりました。 /t COD が削除されました。 2014 年の Du ら 7 と Yan ら 11 の間の CH4 推定値の差異は、ほぼ 36 倍でした。比較すると、我々の研究で推定された CH4 排出量は 2.6 Mt CO2eq です。 Guo ら 13 と私たちの研究を比較すると、主な違いは Guo ら 13 が行っていることです。は、すべての処理技術に 1 つの N2O 排出係数 (0.035 kg N2O-N/kg TN) のみを適用し、その CH4 排出係数はさまざまな州に基づいていました 51。しかし、CH4 と N2O の排出係数は、各下水処理場の特定の技術に基づいていました。 Guoらの生物学的廃水処理からのCH4とN2Oの総排出量と電力消費からのCO2排出量。 2016 年の CO2 換算量は 3,140 万トンで、これは当社の結果 (CO2 換算 1,590 万トン) の約 2 倍です。

IPCC 2006 または IPCC 2019 における CH4 排出量の計算式の誤用も、CH4 排出量の比較不能を引き起こすもう 1 つの理由です。通常、CH4 排出量は、流入水 COD (または BOD) の総質量と汚泥の形で除去された COD (または BOD) の差を CH4 排出係数に掛けたものに等しくなります。流入水の総 COD (または BOD) 質量から汚泥の形で除去された COD (または BOD) を差し引いた値は、汚泥に移行した有機成分が直接 CH4 を生成するのではなく、廃水中に残留する有機物のみが CH4 を放出する可能性があることを意味します。したがって、IPCC における CH4 排出係数の単位 (kg CH4/kg BOD または kg CH4/kg COD) は、CH4 排出量ではなく、汚泥に移動した COD (または BOD) を考慮した後の流入水中の単位残留有機質量当たりの CH4 排出量を示します。流入水 COD (または流入 BOD) 単位あたり、または除去された単位 COD (または BOD) あたり 9. また、汚泥として除去される有機物は、すべての処理技術においてゼロであると仮定した7,8,9,10,12。誤った仮定の理由としては、汚泥の生成に関するデータが不足していること、汚泥の形で除去される有機成分を推定する方法が IPCC 2006 に記載されていないこと、または廃水処理に関する背景が不足していることが考えられます。ほとんどの好気性生物処理技術では廃水処理中に汚泥が生成されるため、この仮定は CH4 排出量を過大評価する可能性があります。しかし、IPCC 2019 は、IPCC 2006 に基づいて CH4 排出量を計算する方法を更新し、特に汚泥に移行する COD (または BOD) を推定するための方程式と詳細な情報を提供し、正確な CH4 計算のための指針を提供しました。

この研究には主に 4 つの制限があります。 (1) 下水処理場には 1 つ以上の廃水処理ストリームがあり、各処理ストリームには一次、二次、または三次処理プロセスが含まれる場合があり、各プロセス (通常は二次処理プロセスの場合) には複数の処理技術があります。しかし、下水処理場の二次処理プロセスにおける生物処理技術の GHG 排出量の推定を簡素化するために、特に下水処理場に複数の二次処理プロセスがある場合には、決定木 (図 2) を適用して処理技術の主要カテゴリとそれに対応する排出係数を決定しました。治療技術。 (2) さまざまな生物処理技術の排出係数は、各下水処理場のモニタリングに基づいていませんでした。ただし、中国の条件に合わせて排出係数を使用しました。排出係数は、特定の生物学的技術の現場モニタリングや、中国の下水処理場の事例研究に基づいた文献の推定モデリングなど、さまざまな参考資料から取得されました。ただし、嫌気性技術や造成された湿地の CH4 および CO2 排出係数など、一部の生物学的技術の排出係数が中国では欠落しているため、代わりにこれらの技術に対して IPCC 排出係数を使用しました。一方、特定の生物処理技術の排出係数は操業条件に大きく影響されるため、同じ生物処理技術を用いた下水処理場ごとに排出係数が異なる場合があります。したがって、参考文献から得られた生物学的技術の GHG 排出係数は、同じ技術を使用するすべての下水処理場の実際の排出係数を表すものではありません。 (3) 工業用下水処理場からの GHG 排出量は、廃水処理システムの重要な GHG 排出源であるにもかかわらず、入手できないため、この研究には含まれていません 52,53,54。たとえば、Xing ら。中国では、2003 年から 2008 年の間、施設内の産業廃水処理からの CH4 排出量は常に家庭廃水処理よりも多かった、と報告しました。工業廃水処理および家庭廃水処理からの CH4 排出量は、2008 年にそれぞれ 0.95 トンと 0.91 トンでした54。 (4) 生物処理プロセスおよび排出経路からの人為的 CO2 排出（または化石 CO2 排出）は、生物由来の CO2 排出と比較して主な懸念事項ですが、我々は文献で入手可能な CO2 排出係数は、化石 CO2 と生物起源 CO2 を別々に報告するのではなく、総 CO2 としてのみ報告されているため、化石 CO2 排出を個別に計算することはできません。

廃水処理施設の企業レベルの GHG 排出量を計算するために使用されるスクリプトは、Zenodo リポジトリ: https://doi.org/10.5281/zenodo.605281555 で入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団 (NO. 72140004) および中国の水質汚染制御および処理のための主要科学技術プログラム (No.2018ZX07111001) によって支援されました。 GW はゴールウェイ大学財団からの支援に感謝します。 DW は中国奨学金評議会 (NO. 201908440332) の支援を受けました。

これらの著者は同様に貢献しました: Dan Wang、Weili Ye。

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張魏

国家環境保護環境モニタリング品質管理重点研究所、中国国家環境モニタリングセンター、北京、100012、中国

王俊霞

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Dan Wang: 概念化、方法論、計算、分析、執筆 - 原案。 Weili Ye: 概念化、リソース、調査、分析、執筆、レビュー、編集。 Guangxue Wu: 方法論、リソース、調査、執筆、レビュー、編集。 Ruoqi Li: リソース、調査。ユル・グアン: リソース、調査。 Wei Zhang: 概念化、リソース、調査、分析、執筆、レビュー、編集。 Junxia Wang: リソース、調査。 Yuli Shan: 監督、方法論、リソース、調査、執筆、レビュー、編集。クラウス・フバチェク: 概念化、監修、執筆、レビュー、編集。

Wei Zhang または Klaus Hubacek との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Wang、D.、Ye、W.、Wu、G. 他。 2006 年から 2019 年までの中国の都市下水処理施設からの温室効果ガス排出量。Sci Data 9、317 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41597-022-01439-7

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受信日: 2022 年 2 月 14 日

受理日: 2022 年 5 月 24 日

公開日: 2022 年 6 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-022-01439-7

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